薄膜铌酸鋰電場傳感器

正文

薄膜铌酸鋰電場傳(chuan) 感器

（本文譯自Thin film lithium niobate electric field sensors（Seyfollah Toroghi ,Payam Rabieia)）

1介紹

電光電場(E-field)傳(chuan) 感器在許多国产成人在线观看免费网站中都需要，例如天線近場表征，太赫茲(zi) 信號檢測，加速器中的帶電粒子束表征，電網監測，和射頻消融手術。電光方法是測量電場的zui佳方法之一，電場會(hui) 導致電光晶體(ti) 的折射率變化。然後可以用精確的測量設備檢測到這種變化。由於(yu) 電光材料是一種介電材料，它不會(hui) 幹擾或散射電磁場。此外，由於(yu) 光纖電纜用於(yu) 傳(chuan) 輸信號，任何附加的布線都不會(hui) 吸收噪音，因此，探頭可以在非常嘈雜的環境中使用，並且測量的信號僅(jin) 與(yu) 探頭位置的e場有關(guan) 。zui後，電光響應非常快，因此電光電場傳(chuan) 感器可以用來調製光信號，從(cong) 而檢測太赫茲(zi) 範圍內(nei) 的電信號。

大尺寸回音壁模式環形諧振器調製器和波導馬赫-曾德爾調製器已被用於(yu) 檢測射頻e場。具有高品質因數的光環諧振器可以提高傳(chuan) 感器的靈敏度，但測量帶寬(BW)將受限於(yu) 微環諧振器的帶寬波導馬赫曾德爾調製器具有較高的帶寬，但體(ti) 積大，空間分辨率低另外，塊狀晶體(ti) 可用於(yu) 測量電場，其長達幾毫米，可以達到0.1 V/(m Hz^1/2)的靈敏度水平。

薄膜铌酸鋰(TFLN)器件zui近被用於(yu) 光學調製器、微波移頻器、梳狀發生器和各種其他光子器件功能。提出了基於(yu) TFLN技術的電磁場傳(chuan) 感器。

在給定電場與(yu) 光信號相互作用長度的情況下，電場傳(chuan) 感器靈敏度的優(you) 劣值與(yu) r/ε成正比，其中r為(wei) 電光係數，ε為(wei) 電光材料的射頻介電常數。對於(yu) TFLN傳(chuan) 感器，由於(yu) 薄膜層的體(ti) 積比襯底小，因此有效射頻介電常數近似等於(yu) 襯底介電常數。石英的介電常數比铌酸鋰的介電常數小20倍。因此，通過在低介電常數襯底(如石英)上使用TFLN波導，可以實現顯著高於(yu) 具有相同相互作用長度的體(ti) 或波導傳(chuan) 感器的靈敏度水平。

此外，TFLN傳(chuan) 感器允許太赫茲(zi) 信號和光信號之間的相位匹配以前，使用相位匹配的TFLN波導調製器已經在實驗中實現了高達太赫茲(zi) 的調製速度在TFLN平台中，太赫茲(zi) 信號的有效折射率幾乎等於(yu) SiO²(或石英襯底)的折射率(在波長為(wei) 1550 nm時為(wei) ~ 2)，並且不受亞(ya) 微米厚TFLN的影響。該折射率接近於(yu) 通過TFLN波導的光導模的有效折射率。因此，在太赫茲(zi) 信號和光信號之間更容易實現相位匹配。自由空間TFLN調製器可以用來表征太赫茲(zi) 自由空間信號。

zui後，利用TFLN技術，可以製造更複雜的傳(chuan) 感器，如波導微環諧振器。這同時實現了小尺寸和高靈敏度，這是許多電磁場傳(chuan) 感器的新国产成人在线观看免费网站所需要的，如微波消融手術或電子電路檢測設備。本文綜述了利用TFLN技術製備微環和馬赫-曾德傳(chuan) 感器的研究進展。

2．設備結構

馬赫-曾德爾調製器、微環結構和馬赫-曾德爾幹涉儀(yi) 耦合環結構(MZICR)分別如圖1(A) -1 (c)所示，是三種不同的器件結構，用於(yu) 電光電場傳(chuan) 感器。所有的結構都是通過將器件蝕刻到與(yu) 石英襯底結合的TFLN中來製造的，該襯底與(yu) 集成光子芯片通過光纖耦合，該芯片具有光柵耦合器，可以將光纖中的光耦合到芯片上的亞(ya) 微米铌酸鋰光波導上。

圖1所示。(a)馬赫-曾德電磁場傳(chuan) 感器原理圖，(b)微環諧振器傳(chuan) 感器，(c)馬赫-曾德幹涉儀(yi) 耦合微環諧振器原理圖。

對於(yu) Mach-Zehnder器件結構，耦合光使用1×2多模幹涉(MMI)耦合器裝置在Mach-Zehnder幹涉儀(yi) 的兩(liang) 臂之間進行分割。Mach-Zehnder幹涉儀(yi) 的一個(ge) 臂被極化以逆轉铌酸鋰晶體(ti) 的自發極化方向。因此，對於(yu) 一個(ge) 手臂，折射率增加給定的e場，而對於(yu) 相同的e場，另一個(ge) 手臂的折射率減少。因此，通過兩(liang) 個(ge) 臂的光的相位在相反的方向上被調製。輸出的MMI耦合器將這兩(liang) 個(ge) 調相信號組合在一起，產(chan) 生一個(ge) 強度調製信號。基於(yu) 大塊铌酸鋰結構的Mach-Zehnder 電場傳(chuan) 感器帶寬限製在20GHz，而基於(yu) TFLN結構的Mach-Zehnder 電場傳(chuan) 感器可以檢測到幾個(ge) 太赫茲(zi) 的電場。利用TFLN波導技術，可以設計傳(chuan) 播太赫茲(zi) 信號與(yu) 光波之間的相位匹配。理論上可以實現10THz的調製帶寬，實驗表明調製速度接近1THz。電光調製器的頻率相關(guan) 傳(chuan) 遞函數可由下式表達

式中，l、ωRF、nRF、no分別為(wei) 電光調製器長度、射頻頻率、射頻折射率、光學折射率。對於(yu) 我們(men) 目前正在生產(chan) 的使用铌酸鋰厚度為(wei) 600 nm的非好相位匹配器件，圖2顯示了不同長度器件的歸一化調製響應∣TRF∣²作為(wei) 調製頻率的函數。使用我們(men) 目前的600 μm長器件，理論帶寬接近600 GHz。

圖2所示。計算了不同器件臂長TFLN(厚度為(wei) 600 nm)調製器的調製帶寬。

對於(yu) 微環結構，生產(chan) 了兩(liang) 種類型的器件。圖1(b)顯示了一個(ge) 簡單的環形結構耦合到波導。對間隙進行了優(you) 化，以實現臨(lin) 界耦合。將激光波長調整到接近器件的共振波長，以實現高的調製信號。該微環型器件不需要插杆，簡化了其製造過程。另外，可以使用MZICR裝置，其激光波長調整到諧振器的波長。電磁場引起相位調製，通過馬赫-曾德爾幹涉儀(yi) 結構轉換為(wei) 強度調製信號。對於(yu) MZICR型器件，不僅(jin) 可以獲得略高的靈敏度，而且可以采用平衡檢測方案來降低噪聲。此外，與(yu) 簡單的微環設備相比，控製激光波長以匹配諧振器的共振更容易，因為(wei) 有兩(liang) 個(ge) 輸出可用。然而，所有基於(yu) 諧振的器件在調製帶寬方麵都有固有的限製，其近似等於(yu) 諧振器線寬。

3．製作過程

基於(yu) TFLN平台的光學Mach-Zehnder調製器的製作流程如圖3.10,13所示。TFLN平台是通過使用晶體(ti) 離子切片方法將薄層铌酸鋰轉移到石英襯底上實現的，如圖3(a)和3(b)所示。將大塊铌酸鋰晶體(ti) 離子注入並結合到石英襯底上。隨後的加熱過程將一層薄薄的铌酸鋰轉移到石英襯底上。轉移的單晶TFLN具有與(yu) 大塊铌酸鋰晶體(ti) 相同的光學和電光性質。製備TFLN後，將電極放置在樣品上進行後續的極化處理，如圖3(c)和3(d)所示。然後使用高壓電源為(wei) Mach-Zehnder型傳(chuan) 感器對設備進行極化，其中對Mach-Zehnder傳(chuan) 感器的選擇臂進行極化，如圖3(d)所示。為(wei) 了使器件極化，將其浸入矽油中，並對樣品施加高於(yu) 铌酸鋰矯頑力場(~ 22 kV/mm)的e場。圖4顯示了通過該器件的典型極化電流。然後取出電極。下一步，使用電子束光刻對傳(chuan) 感器的光學電路進行圖像化，並通過幹蝕刻铌酸鋰層形成，如圖3(e)所示。圖3(c)和圖3(d)中所示的製造步驟被省略，用於(yu) 製造環形諧振器傳(chuan) 感器，其中器件結構被蝕刻到铌酸鋰層中，沒有任何電極或極化過程。光纖v型槽陣列隨後被對準並連接到器件上，以實現光纖耦合器件結構。關(guan) 於(yu) 製造過程和器件結構的更多細節在參考文獻10中進行了解釋。

圖3所示。基於(yu) TFLN的Mach-Zehnder傳(chuan) 感器芯片的製造工藝步驟。(a)離子注入和铌酸鋰晶體(ti) 與(yu) 石英襯底的結合。虛線表示鋰铌酸鹽層的離子注入層。(b)晶體(ti) 離子切片工藝及TFLN生產(chan) 。(c)極化電極沉積。(d)高壓極化過程。電子束光刻、蝕刻、波導形成和聚合物鈍化層沉積。箭頭表示TFLN層的自發極化方向。

圖4所示。通過器件的典型極化電流。

4．器件特性

A.環形諧振式電場傳(chuan) 感器

圖5(a)顯示了一個(ge) 製造和封裝的基於(yu) 微環諧振器的電磁場傳(chuan) 感器的圖像。可以看出，封裝的傳(chuan) 感器非常緊湊。目前封裝的器件max可達3 ×3 mm²。然而，未封裝的器件可以設計成整個(ge) 器件與(yu) 光纖直徑一樣小(即250 μm)。微環諧振器和馬赫-曾德爾調製器的光纖間插入損耗為(wei) 13 dB[見圖5(b)]。圖5(c)顯示了製造的環形諧振器的光傳(chuan) 輸。環形諧振器的質量因子為(wei) 1.2 ×10⁵，線寬為(wei) 12 pm (1.5 GHz)，計算的傳(chuan) 播損耗為(wei) 2.5 dB/cm[見圖5(d)]。通過改進製造工藝，可以實現0.1 dB/cm的低插入損耗，從(cong) 而獲得更好的靈敏度。然而，由於(yu) 諧振會(hui) 更窄，這將限製器件的工作帶寬，並且為(wei) 了獲得更高的靈敏度，將需要非常窄的激光線寬，因為(wei) 任何相位噪聲都會(hui) 在微環諧振器器件後轉換為(wei) 強度噪聲。使用該技術，預計靈敏度級別為(wei) 5 mV/mHz^1/2，max帶寬為(wei) ~ 300 MHz。

圖5所示。(a)封裝的電場傳(chuan) 感器頭，(b)測量光柵耦合器的插入損耗(通過兩(liang) 個(ge) 輸入和輸出耦合器後)，(c)製造的環形諧振器在TFLN上的歸一化傳(chuan) 輸，(d)擬合數據計算波導的傳(chuan) 播損耗。

圖6所示。電場環形諧振器傳(chuan) 感器在100khz、12v正弦電壓下電極間隙為(wei) 14mm時的響應測量。

圖6顯示了微環形諧振器傳(chuan) 感器的靈敏度測量結果，其中將光纖連接的環形諧振器放置在提供均勻電場的平行板電容器內(nei) 。使用函數發生器對電容器極板施加100 kHz和12 V的正弦偏置。電容器極板間距設為(wei) 14mm。我們(men) 使用了一種低成本的分布式反饋(DFB)激光器，其中進行溫度調諧以將激光的波長鎖定在諧振器的共振波長上。激光器輸出功率為(wei) 12.7 dbm，采用轉換增益為(wei) 40000 V/W的探測器。圖6顯示了使用電氣頻譜分析儀(yi) 測量的信號。測量了−31 dBm的信號，噪聲本底為(wei) −86 dBm。考慮到光譜儀(yi) 的分辨率帶寬(BW)為(wei) 10 Hz，傳(chuan) 感器的靈敏度為(wei) 180mv /(mHz^1/2)。

圖7所示。(a)測量的傳(chuan) 輸頻譜，(b)測量的MZICR諧振器結構器件的頻率響應，(c)傳(chuan) 感器高頻特性的測量設置，(d)測量的麵內(nei) 和麵外電場與(yu) 傳(chuan) 感器相對於(yu) 傳(chuan) 輸線的位移的關(guan) 係。

圖7(a)為(wei) 實測的MZICR透射譜。這種類型的傳(chuan) 感器在共振波長處靈敏度高。使用頻譜分析儀(yi) 測量該傳(chuan) 感器的靈敏度為(wei) 80mV/(m Hz^1/2)。使用MZICR結構，靈敏度提高了2倍。此外，雙輸出允許使用平衡的檢測方案，這反過來又導致更容易控製和鎖定諧振波長到這種類型的傳(chuan) 感器的激光波長的能力。利用來自平衡探測器和反饋回路的測量信號，我們(men) 調整激光波長以跟蹤由於(yu) 小溫度變化引起的共振位移。因此，我們(men) 可以很容易地控製激光波長使用一個(ge) 簡單的反饋回路的MZICR結構。

圖7(b)顯示了使用射頻信號發生器測量共麵傳(chuan) 輸線頂部電場的MZICR器件的測量頻率響應，如圖7(c)所示。本次測量的射頻功率為(wei) 23 dBm。共麵傳(chuan) 輸線端接在一個(ge) 50-Ω電阻中。該裝置具有高達2.5 GHz的平坦頻率響應，並且在此測量中使用的檢測器帶寬為(wei) 2.5 GHz。因此，2.5 GHz處的信號下降與(yu) 探測器的帶寬有關(guan) ，而與(yu) 器件無關(guan) 。

圖7(d)顯示了測得的電場與(yu) 探頭空間位置相對於(yu) 傳(chuan) 輸線的關(guan) 係。在共麵傳(chuan) 輸線頂部位移傳(chuan) 感器時，利用微米級測量了不同分量的電場。測量結果符合理論要求，具有良好的空間分辨率。

這些傳(chuan) 感器的靈敏度與(yu) 其他使用幾毫米長的相互作用長度的技術相當。環形結構是一種非常緊湊的傳(chuan) 感器，它可以用於(yu) 同時需要高靈敏度和高空間分辨率的国产成人在线观看免费网站，例如醫療程序，等離子體(ti) 表征和印刷電路板電磁兼容性測量。

B. Mach-Zehnder電光電場傳(chuan) 感器

使用極化Mach-Zehnder結構，如圖1(a)所示，我們(men) 製造並測試了電場傳(chuan) 感器。如前所述，該裝置使用平行板電容器放置在電場內(nei) 。函數發生器用於(yu) 向電容器板施加100 kHz, 12 V的正弦電壓。電容器板的間距設置為(wei) 從(cong) 14到73毫米不等。激光功率設置為(wei) 12.7 dBm。采用增益為(wei) 40000 V/W的平衡檢測器。圖8(a)顯示了當施加的正弦電場通過增加平行板電容器之間的間隙而變化時的測量信號，以及20mm間隙時的測量信號。信號與(yu) 電極之間的距離成反比線性(帶偏置)。偏置是由於(yu) 傳(chuan) 感器介電常數的負載效應導致平行板電容器的場發生輕微變化。圖8(b)顯示了在600 V/m正弦e場下使用頻譜分析儀(yi) 測量的信號，其中測量了−56 dBm的信號，本底噪聲為(wei) −92 dBm。考慮到光譜儀(yi) 的分辨率帶寬(BW)為(wei) 10Hz，計算出傳(chuan) 感器的靈敏度低至2.2 V/(m Hz^1/2)，估計帶寬為(wei) 600 GHz。我們(men) 已經測試了傳(chuan) 感器在0-100℃範圍內(nei) 的功能，傳(chuan) 感器的響應和靈敏度不受該範圍內(nei) 溫度變化的影響。

圖8所示。(a)測量的電場與(yu) 電容間隙(圓)和測量的電場與(yu) 電容間隙(菱形)的反比，用於(yu) 馬赫-曾德兒(er) 電場傳(chuan) 感器，用於(yu) 100kHz的12V正弦信號。(b)馬赫-曾德爾電場傳(chuan) 感器在100kHz、12V正弦電壓、20mm間隙下的實測響應。

5．結論

設計、製作了基於(yu) TFLN的電光電場傳(chuan) 感器，並對其進行了表征。本文研究了環形諧振器和馬赫-曾德爾型兩(liang) 種類型的電場傳(chuan) 感器。該平台包括位於(yu) 石英襯底上的铌酸鋰板層頂部的幹蝕刻铌酸鋰截麵。製造的器件采用光纖V型槽陣列封裝，其中每個(ge) 光柵耦合器的插入損耗為(wei) 6.5 dB。MZICR諧振器和Mach-Zehnder諧振器的靈敏度分別為(wei) 80 V/(m Hz^1/2)和2.2 V/(m Hz^1/2)。

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